宁夏青龙塑料管材有限公司
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摘要：通过对玻璃纤维增强塑料夹砂管的环刚度、管刚度、刚度等级概念进行分析，明确了环刚度是管道在外载作用下抵抗变形的一种能力，管刚度与环刚度并不是同一个概念，而刚度等级是管材初始特定环刚度的级别。由环刚度的相关概念分析了环刚度设计与测试的基本方法，并根据设计规范的要求对实际工程中所需要的刚度等级从变形和稳定性两个方面进行了分析，得到了确定刚度等级的基本原则和方法及其与埋设条件之间的关系。对正确理解玻璃纤维增强塑料夹砂管的环刚度以及环刚度的设计、测试及选择都具有一定的参考意义。
关键词：玻璃纤维增强塑料夹砂管、环刚度、管刚度、刚度等级
一、前言
玻璃纤维增强塑料夹砂管简称玻璃钢管是一种以玻璃纤维及其制品为增强材料,以不饱和聚酯树脂等为基体材料,以石英砂及碳酸钙等无机非金属颗粒材料为填料,采用定长缠绕工艺、离心浇铸工艺、连续缠绕工艺方法制成的管道。玻璃钢管与混凝土管相比不仅有重量轻、承压能力好、内壁阻力小等特点,而且具有使用寿命长、安装方便、操作简单等优点，在工程中得到广泛的应用。初始环刚度系玻璃纤维增强塑料夹砂管的重要技术指标之一,它直接影响管材的使用安全性和使用寿命，准确有效检测玻璃钢管的初始环钢度对产品质量和施工过程的质量控制有着极其重要的意义。本文通过对玻璃纤维增强塑料夹砂管初始环刚度测量结果不确定度的评定,分析影响试验结果的各种因素，提高该试验的检测水平和准确性供同行检测参考。
二、玻璃纤维增强塑料夹砂管的特点
玻璃纤维增强塑料夹砂管的主要原料为无碱玻璃纤维、不饱和聚酯树脂、石英砂,其管壁结构由三层组成:内衬层、结构层和外护层。玻璃纤维增强塑料夹砂管具有以下一些特点
(1)玻璃纤维增强塑料夹砂管质轻强度高,具有优良的力学、物理性能。
(2)玻璃纤维增强塑料夹砂管内表面光滑,内壁摩擦系数0.0084，水力性能优异。
(3)玻璃纤维增强塑料夹砂管内衬层主要材料为树脂和玻璃纤维复合材料,具有优异的耐腐蚀性能,使用寿命长。
(4)玻璃纤维增强塑料夹砂管不爆管,接口可靠,安全性好
(5)玻璃纤维增强塑料夹砂管施工操作方便、快捷
(6)玻璃纤维增强塑料夹砂管规格齐全
三、环刚度相关概念
1、环刚度
环刚度是衡量管环在外载荷作用下抗径向变形能力的一个重要性能参数，环刚度的基本定义式为:
其中，S为环刚度，N/m2； E为管道表观环向弯曲弹性模量，N/m2；I为轴向单位长度管壁的环弯曲惯性矩，m4/m；I=t3/12,t为管壁总厚度，m；D为管道计算直径，D=Dn+t, Dn为管道内径，m。
式(1)是从材料和结构上来定义环刚度的，综合考虑了管道直径、管壁厚度以及管壁材料组成等因素，但该定义式无法直观得到环刚度与外载荷、径向变形之间的具体关系。为此，考虑一段径向受压的管环，在小变形下通过理论分析可以得到以下公式：
其中，Δy为管径变化量，m;F为与管径变化量相对应的线载荷，N/m。式(2)就是环刚度与外载荷、径向变形之间的具体关系式。由该式可见，管道的环刚度越大，在同等外荷载条件下管道的径向变形就越小，这就是环刚度的真正内涵。管道的环刚度决定了管道在外荷载作用下抗变形的能力。
2、管刚度
行业内有时也用到管刚度的概念，并且有时还将管刚度与环刚度等同来使用。但实际上管刚度与环刚度是不同的，管刚度的定义为:线载荷除以相应的管径变化量所得的值，即有:
其中，PS为管刚度，N/m2。
管刚度是从试验的角度定义的，是管道产生单位径向变形时所需要的外载荷大小，也反应了管环抗径向变形的能力。由式(2)和式(3)可见，管刚度和环刚度之间相差一个系数，具有以下关系:
因此，虽然管刚度和环刚度都可以用来衡量管道在外载荷作用下抗变形的能力，但是两者在数值上是完全不一样的，不能等同使用。在美国相关标准中一般采用管刚度概念，而在ISO相关标准中一般采用的是环刚度的概念，要注意加以区分。
3、刚度等级
刚度等级是管材初始特定环刚度的级别，一般分为四个等级:1250、2500、5000、10000，单位与环刚度、管刚度一样都是N/m2。刚度等级是确定管道规格的一个基本参数，代表的是一种特定类别管道。对于某一特定刚度等级的玻璃纤维增强塑料夹砂管而言，其环刚度值应不小于其刚度等级值，即有:
其中，SN为刚度等级值，N/m2。
根据式(5)可以判定某一种刚度等级的玻璃纤维增强塑料夹砂管的环刚度是否合格;对于某一玻璃纤维增强塑料夹砂管而言，只要得到了环刚度，也可以根据式(5)确定其刚度等级。
四、环刚度的设计与测试
由定义式(1)，可以根据复合材料力学从理论上分析计算得到某一铺层结构的玻璃纤维增强塑料夹砂管的环刚度。首先根据各单层基本力学性能参数获得管壁层合结构的表观环向弯曲弹性模量，然后根据壁厚、直径由定义式(1)直接计算便可得到管道的环刚度。
由式(1)可以发现，环刚度与壁厚的三次方成正比，因此增加管壁厚度是提高管道环刚度的一个有效方法。同时环刚度也与管壁的表观环向弯曲弹性模量成正比，调整管壁的结构铺层将改变表观环向弯曲弹性模量，因此也可以通过改变铺层来提高环刚度。由于具体铺层形式的不同，可能出现相同的管壁厚度而环刚度不同，甚至出现管壁较薄但其环刚度却高于管壁较厚的管道的情况，因此不能简单地认为管壁越厚环刚度就越高。对玻璃纤维增强塑料夹砂管而言，最小厚度的意义不是很大，重要的是要满足环刚度的要求。此外即使仅改变铺层顺序也会造成管道的环刚度不同，可以通过优化铺层顺序来实现同等材料下环刚度的最大化。
为了检测实际生产的玻璃纤维增强塑料夹砂管的环刚度，可以根据式(2)采用平行板外载试验的方法来进行测试。考虑到径向变形后管道形状改变的影响，对式(2)进行修正后，得到以下公式:
实际测试一般是在3%的径向变形率下进行的，由式(6)可得此时环刚度的计算式为:
具体检测时，在实际玻璃纤维增强塑料夹砂管上截取一定宽度的管环，具体宽度与管道直径有关，对于直径不大于1500mm的，取300mm或直径的3倍中的较小值;对于直径大于1500mm的，取直径的20%。对每个管环试样施加载荷使其径向变形率达到3%，记录此时所施加的载荷，然后根据式(7)计算得到该管环的环刚度。测试三个管环取平均值作为该管道的环刚度。
五、结论
通过对玻璃纤维增强塑料夹砂管的环刚度、管刚度、刚度等级概念进行分析，明确了环刚度的内涵是管道在外载作用下抵抗变形的一种能力，管刚度与环刚度并不是同一个概念，而刚度等级是管材初始特定环刚度的级别。由环刚度的相关概念分析了环刚度设计与测试的基本方法，并根据设计规范的要求对实际工程中所需要的刚度等级从变形和稳定性两个方面进行了分析，得到了确定刚度等级的基本原则和方法及其与埋设条件之间的关系。对正确理解玻璃纤维增强塑料夹砂管的环刚度以及环刚度的设计、测试及选择都具有一定的参考意义。
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论文作者:马金
论文发表刊物:《基层建设》2015年31期
论文发表时间:2016/3/4
标签：刚度论文; 玻璃纤维论文; 塑料论文; 管壁论文; 管道论文; 等级论文; 载荷论文; 《基层建设》2015年31期论文;